NAWIGACYJNY SYSTEM SATELITARNY GPS DZISIAJ I W PRZYSZŁOŚCI

JACEK JANUSZEWSKI Akademia Morska w Gdyni Katedra Nawigacji NAWIGACYJNY SYSTEM SATELITARNY GPS DZISIAJ I W PRZYSZŁOŚCI Pod koniec pierwszej dekady trzeciego tysiąclecia jedynym w pełni operacyjnym nawigacyjnym systemem satelitarnym (NSS) był amerykański system GPS. W artykule opisano jego status, problemy eksploatacyjne, wykorzystanie przez różnych użytkowników, szczegółowe plany modernizacyjne, w szczególności segmentu kosmicznego i naziemnego, nową technologię ze wspomaganiem Assisted GPS (A GPS) oraz najważniejsze wydarzenia związane z GPS i innymi NSS, spodziewane w najbliższych 10 latach. 1. SEGMENT KOSMICZNY I NAZIEMNY SYSTEMU GPS Amerykański system GPS jest pierwszym i obecnie jedynym w pełni operacyjnym nawigacyjnym systemem satelitarnym (NSS). Od przeszło 14 lat liczba jego funkcjonujących satelitów wynosi nieprzerwanie co najmniej 24. Rozpoczęcie budowy systemów Galileo i Compass, odpowiednio przez Europę i Chiny, było z pewnością jedną z głównych przyczyn podjęcia decyzji o gruntownej modernizacji systemu GPS, w szczególności jego segmentu kosmicznego i naziemnego [6, 8, 9]. 1.1. Segment kosmiczny systemu GPS Od kilku już lat segment kosmiczny systemu GPS liczy około 30 satelitów rozmieszczonych nierównomiernie na sześciu orbitach. Liczba satelitów na jednej orbicie wynosi od 4 do 6. W II kwartale 2010 roku segment liczył łącznie 31 satelitów, w tym 30 operacyjnych. W tabeli 1 zestawiono wybrane parametry orbitalne wszystkich satelitów, podając dodatkowo rok wprowadzenia każdego z nich na orbitę. Z tabeli tej wynika, że w podanym dniu segment kosmiczny tworzyły satelity trzech bloków IIa, IIR i IIR M, odpowiednio w liczbie 11, 12 i 8, przy czym jeden z satelitów ostatniego bloku, o numerze PRN równym 1, wystrzelony w przestrzeń kosmiczną 24 marca 2009 r., jest nadal uznawany za nieoperacyjny; w przyjętej terminologii pozostaje w tzw. commisioning phase. Fakt ten należy odnotować przede wszystkim dlatego, że satelita ów jako pierwszy w historii miał emitować próbnie sygnały na częstotliwości L5, czyli trzeciej częstotliwości dostępnej dla użytkowników cywilnych. Niestety, do maja 2010 roku nie zdołano usunąć różnego rodzaju problemów, jakie pojawiły się przy jednoczesnej emisji przez satelitę sygnałów na trzech częstotliwościach [4, 5].

18 PRACE WYDZIAŁU NAWIGACYJNEGO AKADEMII MORSKIEJ W GDYNI, nr 24, 2010 Tabela 1 System GPS numer PRN, rok wprowadzenia na orbitę, rodzaj bloku, długość geograficzna węzła wstępującego β oraz argument szerokości u wszystkich 31 satelitów tworzących segment kosmiczny w dniu 16 kwietnia 2010 r. Orbita A B C D E F Parametr Satelita/slot 1 2 3 4 5 6 PRN 9 31 8 27 7 rok 1993 2006 1997 1992 2008 blok IIa IIR M IIa IIa IIR M β [ ] 178 180 176 177 180 u [ ] 52 303 148 59 181 PRN 16 1 28 12 30 rok 2003 2009 2000 2006 1996 blok IIR IIR M IIR IIR M IIa β [ ] 240 242 240 238 u [ ] 221 90 340 313 PRN 29 3 19 17 6 rok 2008 1996 2004 2005 1994 blok IIR M IIa IIR IIR M IIa β [ ] 302 293 304 301 297 u [ ] 249 150 120 20 159 PRN 2 11 21 4 24 rok 2004 2000 2003 1993 1991 blok IIR IIR IIR IIa IIa β [ ] 359 347 1 0 3 u [ ] 271 32 170 309 159 PRN 20 22 10 18 32 5 rok 2000 2004 1996 2001 1990 2009 blok IIR IIR IIa IIR IIa IIR M β [ ] 58 61 61 61 65 60 u [ ] 333 84 227 115 354 205 PRN 14 15 13 23 26 rok 2000 2007 1998 2004 1992 blok IIR IIR M IIR IIR IIa β [ ] 123 119 124 120 124 u [ ] 18 124 246 271 82 Żródło: Opracowanie autora [14, 15]. Kąt inklinacji wszystkich satelitów mieścił się w przedziale 53,1 56,9, czyli był bardzo bliski wartości nominalnej 55. Można tu też wspomnieć, że w depeszy nawigacyjnej GPS dla każdego satelity podawana jest odchyłka kąta inklinacji nie od 55, tylko od 54. Nominalnie wszystkie orbity rozmieszczone są symetrycznie, co oznacza, że różnica długości geograficznych każdych dwóch orbit sąsiadujących Δβ winna

J. Januszewski, Nawigacyjny system satelitarny GPS dzisiaj i w przyszłości 19 wynosić 60. W dniu 16 kwietnia 2010 w wypadku każdej orbity długości β wszystkich satelitów znajdujących się na niej nie były jednak takie same. Długości te różniły się od 4 (orbita B) do 16 (orbita D). Średnie długości β śr wszystkich sześciu orbit wynosiły odpowiednio: A 178, B 240, C 299, D 358, E 61, F 122. Tym samym orbity nie były równomiernie (nominalnie co 60 ) rozmieszczone; długości β śr dwóch sąsiadujących orbit różniły się od 56 (orbity F i A) do 63 (orbity D i E). Również nierównomiernie rozmieszczone były satelity na każdej z sześciu orbit. Argumenty szerokości dwóch sąsiadujących satelitów jednej orbity różnią się od 7 (satelity 1 i 4 na orbicie A) do 131 (satelity 16 i 28 na orbicie B oraz 29 i 17 na orbicie C). Takie, a nie inne, rozmieszczenie satelitów oraz okres działalności każdego z nich pociągają za sobą różnego rodzaju konsekwencje, z których najważniejsze to: z uwagi na to, że współczynnik dokładności DOP zależy od geometrii systemu, czyli od bieżącej konstelacji satelitów, błąd pozycji użytkownika jest wielkością zmienną, zależną od czasu oraz jego współrzędnych geograficznych, w rejonach o ograniczonej widzialności mniejsza (niekiedy nawet znacznie) niż w akwenach otwartych liczba satelitów, z których sygnały mogą być wykorzystane w procesie określania pozycji użytkownika, oznacza zmniejszenie się, niekiedy znaczące, jej dokładności (wzrost wartości wszystkich współczynników DOP), a w niektórych wypadkach wręcz brak możliwości jej otrzymania. W obecnym segmencie kosmicznym systemu GPS sygnały na dwóch częstotliwościach emitowane są jedynie przez satelity bloku IIR M. Z uwagi jednak na to, że tych satelitów jest zaledwie siedem i są one na pięciu orbitach (po 2 na orbitach A i C oraz po 1 na orbitach B, E i F), poprawka jonosferyczna w odbiorniku cywilnego użytkownika może być wyliczana jedynie dla kilku widocznych satelitów. Z drugiej strony, należy wziąć pod uwagę fakt, że niemal wszystkie odbiorniki systemu GPS, znajdujące się obecnie w rękach użytkowników, bo aż 99%, to odbiorniki jednoczęstotliwościowe, rozkodowujące jedynie kod C/A. Na rynku są już wprawdzie dostępne odbiorniki dwuczęstotliwościowe, ale, pomijając użytkowników wojskowych i mających dostęp do kodu dokładnościowego, korzystają z nich przede wszystkim ośrodki naukowo-badawcze. Można z dużym prawdopodobieństwem stwierdzić, że większość użytkowników cywilnych zdecyduje się na zakup nowego odbiornika dopiero wtedy, gdy satelitów emitujących sygnały na dwóch częstotliwościach będzie co najmniej 24. Analiza czasu działalności poszczególnych satelitów prowadzi do jednoznacznego wniosku, że zdecydowana większość satelitów bloków IIa i IIR funkcjonuje dłużej, i to znacznie, niż wynosi przyjęta dla nich żywotność nominalna. Tę ostatnią bowiem najwięksi nawet optymiści szacowali na nie więcej niż 10 lat. Tymczasem satelitów funkcjonujących od roku 2001 jest zaledwie 14, a wprowadzonych na orbitę jeszcze przed rokiem 1995 aż 8; najstarszy z nich, PRN = 32, jest na orbicie od 1990 roku, czyli równo od 20 lat. Można też tu dodać, że żywotność satelitów bloku IIR M wynosi 10 lat, a kolejnego bloku satelitów IIF szacuje się na nie więcej niż 12 lat [6, 7, 8, 9].

20 PRACE WYDZIAŁU NAWIGACYJNEGO AKADEMII MORSKIEJ W GDYNI, nr 24, 2010 Nic więc dziwnego, że już w 2009 roku na całym świecie zaczęły się ukazywać coraz liczniejsze doniesienia prasowe oraz publikacje na forach internetowych opisujące rosnące zagrożenia systemu GPS, niekiedy wręcz wieszczące jego rychłe całkowite zaprzestanie działalności. Obawy te zostały jeszcze bardziej spotęgowane, gdy w czerwcu 2009 roku w renomowanym miesięczniku GPS World opublikowano opracowany przez amerykańskie Rządowe Biuro Obrachunkowe GAO (Government Accountability Office) niezwykle krytyczny raport o stanie systemu GPS [3]. Według tego raportu system ten, z powodu niedoinwestowania, nie później niż przed końcem 2010 roku zaprzestanie swej działalności. Stwierdzenie to oparte jest z pewnością na dość śmiałym założeniu, że z powodu podeszłego wieku co najmniej kilka satelitów, przede wszystkim tych najstarszego bloku IIa, wprowadzonych na orbitę jeszcze na początku lat dziewięćdziesiątych, zostanie, jeśli nie jednocześnie, to w krótkim przedziale czasu, wyłączonych z eksploatacji. Zdaniem wielu użytkowników obawy te wydają się być jednak zbyt przesadzone, gdyż według zarządzających systemem GPS zapewnia on wszystkim użytkownikom założoną dokładność określanej przez nich pozycji, jeśli tylko liczba satelitów operacyjnych jest nie mniejsza niż 24 (tyleż satelitów liczy konstelacja nominalna). Oznacza to, że przy 29 czy 30 obecnie funkcjonujących satelitach jednoczesna awaria nawet pięciu (sześciu) z nich nie powinna pociągnąć za sobą prawie żadnych ujemnych skutków. W powyższych rozważaniach należy jednak wziąć pod uwagę również fakt, że milcząco zakłada się, że sama konstelacja satelitów (położenie orbit, położenie satelitów na orbitach) jest nominalna, czyli taka, dla której parametry te zostały uprzednio wyznaczone. Tymczasem aktualna konstelacja różni się od niej znacznie, dotyczy to w szczególności opisanej wyżej lokalizacji poszczególnych satelitów na jednej orbicie. Dlatego też ewentualna jednoznaczna awaria kilku satelitów, czego nie można wykluczyć przy blisko dwudziestoletniej działalności satelitów bloku IIa, oznaczać może w niektórych wypadkach znaczący spadek dokładności określanej pozycji użytkownika, a w skrajnych wypadkach jej brak. W analizie tej należy też uwzględnić gotowość do szybkiego wprowadzenia nowych satelitów na orbitę. 27 sierpnia 2007 roku pierwszy satelita bloku IIF przeszedł pomyślnie specjalistyczne testy kontrolne w ośrodku Boeinga w El Segundo w Kalifornii, w maju 2010 roku znalazł się na orbicie. Omówiona wyżej rozbieżność między konstelacją aktualną i nominalną stała się już przyczyną dużych trudności w określaniu przez użytkownika swej pozycji w rejonach o ograniczonej widzialności satelitów, w szczególności w rejonach górzystych. Z uwagi na to, że problem ten dotyczy również gór w Afganistanie, czyli rejonu o szczególnym znaczeniu dla działań armii amerykańskiej, nadzorujące funkcjonowanie systemu GPS Siły Powietrzne USA (CDRUSSTRACTCOM Commander of U.S. Strategic Command) postanowiły podjąć zdecydowane kroki. Dlatego też w styczniu 2010 roku rozpoczęto rekonfigurację segmentu kosmicznego, mającą na celu przywrócenie możliwości określania pozycji przez użytkowników zarówno cywilnych, jak i wojskowych w dowolnym momencie i w dowolnym punkcie na Ziemi z zakładaną pierwotnie dokładnością. Tę nową konstelację

J. Januszewski, Nawigacyjny system satelitarny GPS dzisiaj i w przyszłości 21 oznaczono symbolem 24 + 3 albo Expendable 24. Zakończenie wszystkich działań przewidziano na styczeń 2011 roku, kiedy to trzy wybrane w tym celu satelity o SVN (Space Vehicle Number) 24, 26 i 49, o numerach PRN i pozycji orbitalnej odpowiednio 24 i D5, 26 i F5 oraz 01 i B2, znajdą się już w swych nowych miejscach na orbicie [4, 5]. 1.2. Segment naziemny systemu GPS Zmieniona emisja satelitów, a w szczególności dodanie w satelitach bloku IIR M sygnałów L1M, L2M i L2C oraz zbliżający się termin wprowadzenia satelitów nowego bloku IIF emitującego sygnały również na częstotliwości L5, wymusiły bardzo duże zmiany w funkcjonowaniu wszystkich stacji segmentu naziemnego. W pierwszej dekadzie XXI wieku dokonano znaczącej modernizacji tego segmentu w ramach dwóch wielkich programów L AII (Accuracy Improvement Initiative) i AEP (Architecture Evolution Plan). W ramach pierwszego z nich zwiększony został zakres pracy stacji głównej poprzez przystosowanie jej do współpracy z 20 stacjami śledzącymi i konfiguracją segmentu kosmicznego liczącą 32 satelity, a w ramach drugiego zastąpiono komputer wiodący zestawem stacji typu SUN firmy Sun Microsystem, twórcy systemu operacyjnego Solaris, oraz zmieniono protokoły komunikacji między stacjami w lokalnej sieci internetowej [11]. W ramach tej modernizacji powstała rezerwowa stacja główna AMCS (Alternative Master Control Station). Obecnie zlokalizowana jest ona w Bazie Sił Powietrznych Vanderberg w Kalifornii. Wcześniej funkcję tę spełniała stacja Gaithersburg w stanie Maryland. W ostatnich latach segment naziemny został też bardzo rozbudowany, jeśli chodzi o liczbę stacji śledzących. W maju 2010 roku stacji tych było już 17. Do działających od samego początku systemu sześciu stacji Air Force, wliczając stację Cap Canaveral, dołączono 11 stacji funkcjonujących w USA w ramach Narodowej Przestrzennej Agencji Wywiadowczej NGA (National Geospatial Intelligence Agency) oraz odpowiednio dostosowane do tego celu stacje w innych państwach. Stacje te zlokalizowane są na Alasce (Fairbanks), w Argentynie (Buenos Aires), Australii (Salisbury), Bahrajnie, w Chinach (Beijing), Ekwadorze (Quito), Korei Południowej (Oscan AFB), Nowej Zelandii (Wellington), Republice Południowej Afryki (Pretorii), USA (w stolicy Waszyngtonie) oraz w Wielkiej Brytanii (Hermitage). 1.3. Funkcjonowanie systemu GPS W serwisie SPS (Standard Positioning Service) odbiornik systemu GPS funkcjonujący w tzw. trybie stand-alone zapewnia obecnie użytkownikowi dokładność pozycji w płaszczyźnie horyzontalnej (95%) rzędu kilkunastu metrów, w wielu wypadkach znacznie większą, bo około 10 metrów, a niekiedy nawet kilku. Przez odbiornik stand-alone systemu GPS i każdego innego NSS należy

22 PRACE WYDZIAŁU NAWIGACYJNEGO AKADEMII MORSKIEJ W GDYNI, nr 24, 2010 rozumieć odbiornik nie zintegrowany z jakimkolwiek innym NSS i SBAS, określający swą pozycję wyłącznie na podstawie sygnałów z satelitów danego systemu, w tym wypadku GPS [7, 10]. Błąd pomiaru odległości powstały na trasie propagacji sygnału nadajnik satelity odbiornik użytkownika, oznaczony symbolem URE (User Range Error), od kilku już lat zmniejsza się nieprzerwanie. I tak, według nadzorujących system amerykańskich sił zbrojnych (Air Force Space Command), błąd ten, będący różnicą między pseudoodległością określoną przez odbiornik a pseudoodległością prawdziwą, wynosił w 2001 r. 1,6 m, trzy lata później 1,2 m, a obecnie zmniejszył się do około 1 metra [12]. Wszystkie te wartości błędu są znacznie mniejsze od przyjętej w 2008 r. i nadal obowiązującej dopuszczalnej wartości granicznej równej 4 m. Oznacza to, że system GPS nie tylko spełnia, ale wręcz wyprzedza obowiązujące w tym względzie normy. W wielu publikacjach podawana jest też informacja o rodzaju wzorca czasu zainstalowanego na pokładzie każdego satelity; w dniu 16 kwietnia 2010 r. dla 7 satelitów był to wzorzec cezowy, a dla wszystkich pozostałych wzorzec rubidowy. Wzorce cezowe cechuje większa stabilność długo- i krótkoterminowa (odpowiednio roczna i dobowa) niż w wypadku wzorców rubidowych, ale z uwagi na to, że te ostatnie okazały się całkowicie wystarczające dla prawidłowego funkcjonowania, operacyjne satelity dwóch ostatnich bloków, czyli IIR i IIR M, wyposażone są jedynie we wzorce rubidowe (trzy) [7, 8, 9]. Satelity bloku IIa mają dwa wzorce cezowe i dwa rubidowe, ale z uwagi na to, że w danym momencie wiodącym może być tylko jeden, niektóre satelity tego bloku (3, 8, 9, 10, 24, 27, 30) sterowane były w tym dniu wzorcem cezowym, a inne (4, 6, 26, 32) rubidowym. Informacje o systemie GPS dostępne są w bardzo wielu różnego rodzaju publikacjach, materiałach pokonferencyjnych, materiałach rządowych instytucji amerykańskich, ośrodków naukowych i uczelni całego świata oraz w... Internecie. Na hasło GPS wyszukiwarka Google Polska w 0,16 s znajduje 225 milionów linków stron, a na hasło system GPS w 0,25 s ponad 58 milionów. 2. OBECNE UŻYTKOWANIE SYSTEMU GPS W latach osiemdziesiątych minionego wieku system GPS został stworzony z myślą o naprowadzaniu bomb lotniczych oraz określaniu pozycji przede wszystkim przez użytkowników wojskowych, takich jak piloci samolotów, nawigatorzy okrętów wojennych czy też żołnierze formacji powietrzno-desantowych. We wszystkich tych wypadkach antena odbiornika użytkownika znajdowała się na zewnątrz pomieszczeń, w obszarach otwartych, i to w miejscach, w których widzialność satelitów była najczęściej niczym nieograniczona. Z racji swojego charakteru użytkownicy ci określali swą pozycję najczęściej na poziomie dokładności PPS (Precise Positioning Service), korzystając z wysokiej klasy odbiorników dwuczęstotliwościowych (L1,L2), posiadających jednocześnie dostęp

J. Januszewski, Nawigacyjny system satelitarny GPS dzisiaj i w przyszłości 23 do kodu dokładnościowego P. Z biegiem lat z systemu zaczęli jednak coraz częściej korzystać również użytkownicy cywilni z całego świata, określający swą pozycję na poziomie SPS (Standard Positioning Service), dysponujący odbiornikami jednoczęstotliwościowymi (L1), rozkodowującymi jedynie kod ogólnie dostępny C/A. W ostatnich kilku latach do kilkudziesięciu parametrów techniczno-eksploatacyjnych odbiornika NSS niektórzy producenci dla swych wybranych modeli zaczęli dodawać jeszcze jeden, związany z czasem startu, czyli czasem dzielącym moment włączenia odbiornika od momentu określenia i zasygnalizowania pierwszej pozycji, tzw. TTFF (Time To First Fix). Ten nowy parametr to gorący (hot) start, czyli trzeci, oprócz zimnego (cold) i ciepłego (warm), parametr dotyczący startu. Zdefiniujmy wszystkie te trzy starty [5, 7]: zimny pamięć odbiornika pozbawiona jest jakichkolwiek danych, warunkiem określenia pozycji jest znajomość efemeryd, poprawek wzorca czasu odbiornika oraz czasu systemu, ciepły aktualne efemerydy oraz poprawki wzorca czasu są znane i znajdują się w pamięci odbiornika, informację o czasie systemu uzyskuje się z depeszy nawigacyjnej, gorący warunki jak w ww. starcie ciepłym, znana jest też dokładna pozycja odbiornika oraz błąd wzorca czasu; określenie pozycji nie wymaga jakichkolwiek informacji z depeszy nawigacyjnej. Czas gorący jest znacznie krótszy od dwóch pozostałych, np. w modelu KBG-3 firmy Koden czas gorący, ciepły i zimny wynoszą odpowiednio 25, 45 i 50 s. Nadal jednak w corocznych zestawieniach w każdym styczniowym numerze miesięcznika GPS World podawane są czasy tylko dwóch startów ciepłego i zimnego. Na przełomie dwóch pierwszych dekad XXI wieku można stwierdzić, że system znalazł zastosowanie w bardzo wielu dziedzinach i wykorzystywany jest już przez setki milionów użytkowników na całym świecie. Szacuje się, że ww. odbiorniki L1, C/A stanowią aż 99% ogółu wszystkich eksploatowanych. Dzieje się tak między innymi dlatego, że odbiorniki te są coraz częściej integrowane z telefonami komórkowymi oraz różnego rodzaju urządzeniami indywidualnej nawigacji PND (Personal Navigation Device). I tak na przykład, z przeszło miliarda telefonów komórkowych sprzedanych na świecie w 2008 r. około 240 mln, czyli aż 24% zintegrowanych już było z odbiornikiem GPS. Przewiduje się, że udział takich telefonów w najbliższych latach wzrośnie do co najmniej 30%. Z kolei w 2009 roku liczbę samych odbiorników L1, C/A zakupionych przez użytkowników cywilnych szacuje się na około 300 mln, zaś liczbę odbiorników dwuczęstotliwościowych nabytych przez użytkowników wojskowych oraz cywilnych zainteresowanych przede wszystkim dużą dokładnością określanej pozycji na zaledwie 3 mln [2]. W ostatnich latach w eksploatacji systemu GPS odnotowano jeszcze jedną, niezwykle istotną zmianę. O ile bowiem początkowo system ten wykorzystywany był przez wąskie grono uprzywilejowanych użytkowników prawie wyłącznie w obszarach otwartych, to obecnie miliony użytkowników, przede wszystkim

24 PRACE WYDZIAŁU NAWIGACYJNEGO AKADEMII MORSKIEJ W GDYNI, nr 24, 2010 cywilnych, chciałoby określać swą pozycję, i to nieprzerwanie, również w miejscach o ograniczonej widzialności satelitów, np. w aglomeracjach miejskich o wysokiej zabudowie, w tunelach czy też wręcz w pomieszczeniach zamkniętych, np. wewnątrz budynków. Nadal jednak nie wszystkie problemy zostały rozwiązane. Przykładem niech będzie użytkownik podróżujący samochodem z zainstalowanym w nim urządzeniem nawigacji satelitarnej (PND). W niektórych tunelach, nawet tych wielokilometrowych, urządzenie to funkcjonuje przez cały czas przejazdu, sygnalizując nieprzerwanie bieżącą pozycję, w innych natomiast już po przejechaniu kilkuset metrów, czyli po upływie kilkunastu, a niekiedy kilku sekund, w urządzeniu tym pojawia się komunikat utracono kontakt z satelitą, a dalsze jego funkcjonowanie zależy od oprogramowania samego odbiornika. Dzieje się tak dlatego, że w obrębie tych pierwszych (np. w Austrii na autostradzie A12 między Innsbruckiem a Landeck czy też na drodze 311 wzdłuż jeziora Zeller) zapewniana jest retransmisja sygnałów satelitarnych, a w tych drugich (np. w Austrii na drodze 180 w pobliżu granicy włoskiej) już nie. Z ww. problemami autor zetknął się osobiście. Określanie pozycji użytkownika za pomocą systemu GPS w obszarach ograniczonej widzialności satelitów staje się problemem przede wszystkim dlatego, że moc odbieranego sygnału jest bardzo mała. O ile bowiem moc emitowana przez satelitę wynosi 27 W, to na powierzchni Ziemi jest ona rzędu zaledwie 100 attowatów (atto = 10 18 ), i to pod warunkiem, że antena odbiornika użytkownika znajduje się w obszarze otwartym. Tak mały poziom sygnału to dla odbiornika problemy z akwizycją satelitów, gdyż sygnał taki jest bardzo podatny na różnego rodzaju zakłócenia i interferencje. W wypadku umieszczenia anteny odbiornika w obszarze zamkniętym moc odbieranego sygnału zmniejsza się jeszcze bardziej, bo od 10 do 100 razy oraz od 100 do 1000, a nawet i więcej razy, gdy odbiornik ów zlokalizowany jest odpowiednio wewnątrz niewielkiego domku i wielokondygnacyjnego dużego budynku. Rozwiązaniem większości problemów związanych z eksploatacją systemu GPS w warunkach ograniczonej widzialności satelitów (np. w gęstej i wysokiej zabudowie miejskiej, obszarach gęsto zadrzewionych, wewnątrz budynków) może być z pewnością nowa odmiana tegoż systemu A GPS (Assisted GPS); w wolnym tłumaczeniu na język polski system GPS ze wspomaganiem. W wielu bowiem rejonach ograniczonych, w których stosunek sygnału do szumu jest niewielki, sygnały z satelitów GPS, podobnie jak z wszystkich innych NSS, mogą zostać odebrane i następnie śledzone, ale informacje zawarte w depeszy nawigacyjnej nie mogą już być zdemodulowane. Jednym z możliwych rozwiązań jest wówczas GNSS (Global Navigation Satellite System) ze wspomaganiem, oznaczony skrótem A GNSS, który w razie zastosowania może usprawnić funkcjonowanie systemów GPS i GLONASS już obecnie, a Galileo i Compass również w przyszłości, w szczególności w momencie określania za ich pomocą pierwszej pozycji użytkownika. Dlatego też, by odebrana depesza nawigacyjna zawierała pełną informację, A GNSS poprawia standardowe parametry GNSS, umożliwiając poprzez alternatywne łącze, na przykład telefonię komórkową, otrzymywanie przez odbiornik tych wszystkich informacji, które w akwenach otwartych odbiornik ów otrzymywałby bezpośrednio z satelitów [2].

J. Januszewski, Nawigacyjny system satelitarny GPS dzisiaj i w przyszłości 25 Standardowy odbiornik systemu GPS, pracujący w trybie stand-alone, by móc określić swoją pozycję, musi wpierw zidentyfikować satelity oraz odebrać i rozkodować almanach i efemerydy. Wszystkie te operacje wymagają jednak odpowiedniej mocy sygnału, a pierwszą pozycję użytkownik może otrzymać dopiero po pewnym czasie. Dlatego też sieci komórkowe mają wspomóc odbiornik systemu GPS w procesie określania pozycji, przekazując jego przybliżoną pozycję oraz informacje o almanachu, efemerydach i poprawkach wzorców czasu poszczególnych satelitów. Odbiornik może wówczas funkcjonować przy słabszym sygnale, a czas TTFF zostaje skrócony. Na rynku są już dostępne odbiorniki systemu GPS przystosowane do odbierania sygnału wspomagającego system A GPS. Można tu wymienić moduł BCM 4750 renomowanej firmy Broadcom Corporation, wykorzystujący sygnały z satelitów systemu GPS i systemów SBAS. Ten ważący mniej niż 1 g pojedynczy chip o wymiarach 3,6 3, 6 0,6 mm przeznaczony jest do integracji z procesorem urządzenia głównego, takiego jak telefon komórkowy, palmtop, odtwarzacz mp3. Moduł ten może obliczać współrzędne pozycji zarówno ze wspomaganiem A GPS, jak i bez tego wspomagania, może też obliczać pozycję, korzystając ze wspomagania systemu LTO (Long Term Orbit), który wylicza efemerydy danego satelity z siedmiodniowym wyprzedzeniem. Jest to szczególnie istotne we wszystkich tych miejscach, w których użytkownik, czyli również i jego odbiornik, nie ma dostępu do żadnej sieci komórkowej; efemerydy dostarczane przez A GPS ważne są jedynie 4 godziny. Inne moduły, które również znalazły takie zastosowanie u wielu użytkowników, to między innymi itax03-02 firmy Fastrax, TM03-02 firmy SigNav oraz UBX-G5010 firmy U-blox przystosowany już perspektywicznie do odbioru sygnałów z satelitów Galileo [13]. 3. SYSTEM GPS W DRUGIM DZIESIĘCIOLECIU XXI WIEKU Przewidywane w II kwartale 2010 zmiany w funkcjonowaniu systemu GPS w zbliżającym się drugim dziesięcioleciu trzeciego tysiąclecia zestawiono w autorskiej tabeli 2, podając dodatkowo również zmiany dotyczące innych systemów satelitarnych i systemów je wspomagających. Należy bowiem podkreślić, że wszystkie systemy SBAS, zarówno te już funkcjonujące (EGNOS, MSAS, WAAS), jak i dopiero budowane (GAGAN), wspomagają lub wspomagać będą jedynie bądź także (SDCM) system GPS. Z tabeli tej wynika jednoznacznie, że jeszcze przez co najmniej kilka najbliższych lat system GPS będzie tym najważniejszym i jednocześnie najczęściej stosowanym NSS. Dzieje się tak dlatego, że segment użytkownika tego systemu liczy już kilkaset milionów różnego rodzaju odbiorników eksploatowanych nieodpłatnie we wszystkich państwach całego świata. Do zalet można też z pewnością zaliczyć bardzo bogaty rynek odbiorników, umożliwiający każdemu użytkownikowi wybór odpowiedniego dla siebie modelu, gwarancję serwisu, bezpłatny dostęp do wszelkiego rodzaju informacji o samym funkcjonowaniu systemu, jego problemach eksploatacyjnych itp. Odpłatne są jedynie komercyjne wersje odmiany różnicowej, takie jak Omnistar i Landstar.

26 PRACE WYDZIAŁU NAWIGACYJNEGO AKADEMII MORSKIEJ W GDYNI, nr 24, 2010 Przewidywane w 2010 roku zmiany w funkcjonowaniu systemów satelitarnych w najbliższych latach i ich konsekwencje dla użytkowników cywilnych Tabela 2 Rok Wydarzenia Konsekwencje dla użytkowników cywilnych 2010 2011 2014 2015 2016 2018 pierwszy satelita bloku IIF systemu GPS na orbicie pierwszy satelita bloku K systemu GLONASS na orbicie dwa satelity IOV systemu Galileo na orbicie pierwszy satelita systemu QZSS na orbicie pierwszy satelita systemu GAGAN na orbicie kolejne satelity systemu Compass na orbitach 24 satelity systemu GLONASS na orbicie konfiguracja nominalna 16 satelitów systemu Galileo (4 IOV i 12 operacyjnych) pierwszy satelita bloku III systemu GPS na orbicie zakończenie I etapu modernizacji segmentu naziemnego OCX zakończenie budowy segmentu kosmicznego systemu Galileo, 27 30 satelitów sygnał L2C emitowany przez 24 satelity systemu GPS częstotliwość L5 emitowana przez 24 satelity systemu GPS 2019 30 satelitów GLONASS K na orbicie 2020 2021 35 satelitów systemu Compass w pełni operacyjnych sygnał L1C emitowany przez 24 satelity bloku III systemu GPS Źródło: Opracowanie autora. sygnały na trzech częstotliwościach identyfikacja satelity poprzez CDMA (indywidualny kod) pierwszy satelita operacyjny systemu Galileo pierwszy japoński satelita nowego systemu uruchomienie indyjskiego systemu SBAS po raz pierwszy w historii satelity GEO i MEO w konfiguracji jednego systemu dwa systemy GPS i GLONASS w pełni operacyjne po raz pierwszy w historii dostęp do informacji o integrity systemu satelitarnego rozpoczęcie budowy trzeciej generacji systemu GPS, czwarty sygnał dla użytkowników cywilnych po raz pierwszy w historii śledzone są wszystkie sygnały emitowane przez satelitę pełny dostęp do wszystkich sygnałów i serwisów systemu Galileo pełny dostęp do dwóch sygnałów cywilnych systemu GPS na dwóch częstotliwościach pełny dostęp do trzech sygnałów cywilnych systemu GPS na trzech częstotliwościach pełny dostęp do trzech sygnałów cywilnych i informacji o integracji systemu pełny dostęp do wszystkich sygnałów i serwisów pełny dostęp do systemu GPS trzeciej generacji i informacji o integracji systemu Kolejną zaletą systemu GPS jest możliwość jego funkcjonowania w różnych odmianach, jedną z nich jest odmiana różnicowa (DGPS). Liczba stacji referencyjnych wykorzystywanych w nawigacji morskiej od chwili ich powstania (pierwsza połowa lat dziewięćdziesiątych) nieznacznie, ale nieprzerwanie rośnie. W 2010 r. stacji operacyjnych było już 260, najwięcej w USA (38) i Japonii (32), będących na etapie prób 49, a planowanych 18 [1]. Można więc sądzić, że liczba stacji operacyjnych nadal będzie rosła, zostaną zaplanowane kolejne, szczególnie w tych rejonach świata, które do tej pory są ich całkowicie pozbawione. Należy tu wymienić zachodnie wybrzeże Ameryki Południowej, wschodnie i zachodnie wybrzeża Afryki na półkuli południowej, południowe wybrzeża Morza Czarnego oraz wybrzeża Włoch łącznie z Sycylią i Sardynią [1].

J. Januszewski, Nawigacyjny system satelitarny GPS dzisiaj i w przyszłości 27 Innym czynnikiem sprzyjającym dalszemu rozwojowi odmiany różnicowej systemu GPS jest i z pewnością będzie fakt, że odbiór przez użytkownika ze stacji referencyjnej poprawek różnicowych jest traktowany jako potwierdzenie wiarygodności, tzw. integrity, tych wszystkich satelitów systemu, których poprawki te dotyczą. Pełna informacja o integralności samego już systemu GPS będzie natomiast możliwa dopiero po oddaniu do eksploatacji 24 satelitów III generacji, czyli najwcześniej po roku 2020. Wcześniej, bo około roku 2016, informację taką, ale tylko o sobie, zapewni system Galileo, o ile tylko termin zakończenia jego budowy zostanie dotrzymany. Na przełomie pierwszej i drugiej dekady trzeciego tysiąclecia przystąpiono do największej do tej pory modernizacji segmentu naziemnego systemu GPS, rozpoczynając tym samym budowę segmentu III generacji, oznaczonego symbolem OCX (Next Generation GPS Control Segment). W dniu 25 lutego 2010 roku nadzorujące system Siły Powietrzne zdecydowały, że budowa ta zostanie powierzona grupie przedsiębiorstw, na czele której stanęło Raytheon Corporation s Intelligence and Information Systems (ISS). W skład tej grupy weszły również Boeing, ITT, Braxton Technologies, Infinity Systems Engineering oraz Jet Propulsion Laboratory. Wstępny budżet wynosi 886 mln $, całość kosztów ma się zamknąć kwotą przeszło 1,5 mld $. Głównym celem tej modernizacji ma być przede wszystkim dostosowanie segmentu naziemnego do zmienionych zadań, czyli współpraca 20 stacji monitorujących z satelitami trzeciej generacji [3, 4]. W pełni operacyjny segment OCX ma zapewnić swym użytkownikom, zarówno cywilnym, jak i wojskowym, znacznie łatwiejszy dostęp do większej ilości informacji. Wśród innych korzyści, jakie ma przynieść OCX, można wymienić [8, 11]: monitoring wszystkich sygnałów, a nie, jak do tej pory, jedynie sygnału dokładnościowego P, opracowanie i emisję zmodyfikowanej depeszy nawigacyjnej, spełnienie lotniczych wymogów bezpieczeństwa, zautomatyzowane planowanie przyszłych czynności. W 2011 roku system GLONASS ma być ponownie przywrócony do pełnej zdolności operacyjnej (FOC), ale wszystko wskazuje na to, że i wówczas pozostanie w cieniu systemu GPS. Główną tego przyczyną jest z pewnością zapamiętany przez użytkowników brak możliwości określania za jego pomocą swojej pozycji przez ostatnich kilkanaście lat i nadal bardzo niewielka liczba eksploatowanych na rynku odbiorników. O ile jednak po osiągnięciu zdolności FOC nie będzie najmniejszych zastrzeżeń co do prawidłowości funkcjonowania systemu GLONASS i gwarantowanych przez niego parametrów dokładnościowych, to można być prawie pewnym, że z upływem czasu szybko rosnąć będzie liczba użytkowników wyposażonych w odbiornik tego systemu lub odbiornik zintegrowany systemów GPS/GLONASS. Dlatego też z dużym prawdopodobieństwem można stwierdzić, że kilka najbliższych lat nie przyniesie użytkownikom systemu GPS praktycznie żadnych zmian. Dla użytkowników tych kluczowy będzie dopiero rok 2016, kiedy to mają

28 PRACE WYDZIAŁU NAWIGACYJNEGO AKADEMII MORSKIEJ W GDYNI, nr 24, 2010 nastąpić dwa bardzo istotne wydarzenia pełny dostęp do dwóch cywilnych sygnałów GPS na dwóch częstotliwościach (L1 C/A i L2C) oraz oddanie do eksploatacji systemu Galileo. Alternatywą stanie się więc zakup nowego odbiornika NSS, ale jakiego? Zainteresowani otrzymaniem po raz pierwszy w historii niedostępnej do tej pory informacji o wiarygodności samego systemu (integrity) zdecydują się z pewnością na odbiornik systemu Galileo, gwarantujący serwis Sol (Safety of Life). Oczekujący większej dokładności określanej pozycji będą mieli trzy możliwości: odbiornik dwuczęstotliwościowy systemu GPS, odbiornik systemu Galileo pracujący w serwisie komercyjnym (CS) albo wysokiej klasy profesjonalny odbiornik zintegrowany tych dwóch systemów. Wybór ten z pewnością nie będzie łatwy, gdyż już w 2010 roku renomowani producenci odbiorników NSS oferowali co najmniej po kilkanaście modeli w każdej z tych grup. Analiza parametrów techniczno-eksploatacyjnych kilkuset modeli w corocznych zestawieniach zamieszczanych w każdym styczniowym numerze miesięcznika GPS World prowadzi do wniosku, że od kilku już lat rośnie udział w pełni zintegrowanych odbiorników dwu i więcej systemów satelitarnych i je wspomagających, mogących dokonywać wszelkich możliwych pomiarów i jednocześnie przystosowanych do odbioru sygnałów nie tylko obecnie emitowanych, ale również tych dopiero planowanych. Najlepszym przykładem może tu być oferowany przez renomowanego producenta JAVAD GNSS odbiornik TRIUMPH 1 G3T. Ten liczący aż 216 torów odbiorczych model przystosowany jest do odbioru wszystkich sygnałów z satelitów trzech NSS GPS, na częstotliwościach L1, L2 i L5, Galileo, na częstotliwościach E1 i E5a, GLONASS, na obu częstotliwościach L1 i L2 oraz satelitów wszystkich obecnie funkcjonujących SBAS [13]. WNIOSKI KOŃCOWE System GPS jest już od wielu lat systemem satelitarnym dominującym na całym świecie, o nieprzerwanej od 1995 roku pełnej zdolności operacyjnej FOC, wspomaganym obecnie przez trzy systemy SBAS (WAAS, EGNOS, MSAS). Rozpoczęcie budowy dwóch nowych NSS, czyli Galileo i Compass, oraz szybkie przywracanie systemu GLONASS do pełnej zdolności operacyjnej FOC spowodowało, że od kilku już lat trwa nieprzerwanie modernizacja systemu GPS, w szczególności jego segmentu naziemnego. Istotnych zmian w eksploatacji systemu GPS można spodziewać się dopiero wtedy, gdy liczba satelitów emitujących dwa sygnały dostępne dla użytkowników cywilnych na dwóch częstotliwościach wzrośnie do 24. Współpracujący z telefonią komórkową A GPS, czyli system GPS ze wspomaganiem, umożliwia określanie pozycji użytkownika we wszystkich tych miejscach, gdzie stand-alone odbiornik nie może jej wyznaczyć. Oferta rynku odbiorników systemu GPS jest bardzo bogata i zróżnicowana; praktycznie każdy użytkownik może znaleźć dla siebie nie jeden, a co najmniej kilka modeli odpowiednich do swoich potrzeb.

J. Januszewski, Nawigacyjny system satelitarny GPS dzisiaj i w przyszłości 29 LITERATURA 1. Admirality List of Radio Signals, The United Kingdom Hydrographic Office, vol. 2, 2010. 2. Diggelen F. van, A GPS: Assisted GPS, GNSS, and GPS. Boston/London: Artech House 2009. 3. GPS Health in Question. GPS World 2009, vol. 20, no. 6. 4. GPS World [online]. Dostępny w Internecie: http://www.gpsworld.com. 5. Inside GNSS [online]. Dostępny w Internecie: http://www.insidegnss.com/enews. 6. Januszewski J., Nawigacyjne systemy satelitarne, stan dzisiejszy i perspektywy. Prace Wydziału Nawigacyjnego Akademii Morskiej w Gdyni 2008, nr 21. 7. Januszewski J., Systemy satelitarne GPS, Galileo i inne. Warszawa: Wydawnictwo Naukowe PWN 2007. 8. Kaplan E.D., Hegarty C.J., Understanding GPS Principles and Applications. Boston/ London: Artech House 2006. 9. Misra P, Enge P., Global Positioning System Signals, Measurements, and Performance. Ganga Jamuna Press, Lincoln 2006. 10. Narkiewicz J., GPS i inne satelitarne systemy nawigacyjne. Warszawa: WKŁ 2007. 11. The Promise of OCX, GPS World 2008, vol. 19, no. 9. 12. Roper E., GPS Status and Modernization, Munich Satellite Navigation Summit, Munich 2010. 13. Strony internetowe i instrukcje techniczne kilkunastu producentów odbiorników i modułów nawigacyjnych systemów satelitarnych. 14. www.glonass-ianc.rsa.ru 15. www.navcen.uscg.gov GPS SYSTEM TODAY AND IN THE FUTURE Summary At the end of the first decade of the third millennium American GPS system is only one fully operational satellite navigation system. The actual status, exploitation problems, detailed plans of the modernization of this system, spatial and terrestrial control segments in particular, new technology Assisted GPS, the utilization of the system by different kind of users and the most significant events concerning GPS system in the nearest 10 years are described in this paper.